天然氣水合物鉆探的關鍵技術

2010-09-28 01:33:52姚彤寶

地質裝備 2010年5期

姚彤寶

(中國煤炭地質總局北京 100039)

1 前言

我國在青海省祁連山南緣永久凍土帶成功鉆獲天然氣水合物實物樣品的消息一經發布,立即引起業界廣泛興趣。徐水師等學者合作完成的“青海木里地區多能源資源綜合研究”項目表明,僅木里煤田天然氣以水合物狀態存在的資源量就達1.483946×1012m3,即便考慮氣體的逸散率和地層孔隙率等因素,天然氣水合物可釋放的天然氣總量也可達(2.710 92～2.991 36)×1011m3。該項目通過剖析、研究高原凍土帶地區水合物的成因和賦存狀態,提出了煤礦床、煤層氣藏、“煤型氣源”天然氣水合物三位一體的廣義煤炭資源的概念,并針對木里煤田的自然地理環境提出了煤炭、煤層氣、天然氣水合物科學規劃、統一開發的思路,對我國在高原地區開展環境保護和尋找天然氣水合物工作具有重大科學意義和實踐價值。

盡管通過地質研究和勘查能夠圈定天然氣水合物異常區域,但從全球范圍來看,國內外眾多學者才測算的地球上天然氣水合物的資源總量或局部區域的資源量的結果相差可達3個數量級以上。查明天然氣水合物的生成、運移及富集成藏的地質條件成為準確估算天然氣水合物資源量的關鍵點。由于能直觀、真實、有效地揭露水合物賦存狀態,并為水合物的生成、運移等研究提供通道,鉆探技術成為國內外天然氣水合物勘查與研究的必要手段之一。本文根據天然氣水合物的熱物理力學特性,通過計算機模擬0℃以上甲烷水合物和二氧化碳水合物在不同溫度-壓力條件下的分解過程,探討了天然氣水合物鉆探的關鍵技術,針對青藏高原高寒永凍地區,給出了天然氣水合物鉆探技術的初步建議。

2 天然氣水合物鉆探技術研究現狀

現有成果表明,天然氣水合物既可形成于天然氣富集處,低溫、高壓環境下的海底沉積物中,也可形成于大陸上的永久凍土帶內。目前已證實,在太平洋、大西洋、印度洋的大陸坡、海盆、海槽、海底高原,及俄羅斯西伯利亞凍土帶、美國阿拉斯加永久凍土帶中均發現天然氣(甲烷)水合物。

天然氣水合物的形成和聚集受控于溫度、壓力、孔隙水成分和氣源等四個主要因素。自然界天然氣水合物只存在于低溫、高壓的條件下,且在常溫常壓下,天然氣水合物將會分解為水和氣體。經測算,1體積氣水合物晶體在常溫常壓下可分解出164體積的CH4和0.8體積的水。天然氣水合物是水和天然氣(輕烴類,主要為甲烷 CH4,也有少量的乙烷C2H6、CO2及 H2S等)的冰狀結晶化合物,水合物中的 H2O在天然氣分子周圍形成特殊的籠型結構,典型的分子是CH4(H2O)n,其中n的典型區間為6～9。對研究者來說,常溫常壓條件下獲取天然氣水合物的實物樣品就顯得十分珍貴。

天然氣水合物作為一種清潔能源,且儲量巨大,對其相關技術的研究與開發引起全球很多國家的關注。其中,美國、德國、日本、加拿大、俄羅斯、印度和挪威等國均制定了天然氣水合物相關的開發計劃,并納入了國家能源戰略。我國從20世紀80年代開始,全面地研究了天然氣水合物的勘探、開發及環境等問題。國內外研究者們一致認為,鉆探取樣是了解水合物儲藏條件最直接的手段之一,也是計算儲量和制定開發方案的重要依據。

國際深海鉆探計劃(DSDP)及其后續的國際大洋鉆探計劃(ODP)多航次鉆探取樣過程中,先后使用了保壓取樣筒 PCB、保壓取心器 PCS、活塞取樣器APC、日本研制的 PTCS和歐盟研發的 H YACE等設備來獲取天然氣水合物實物樣品。國內研究者在借鑒上述成功經驗的基礎上,廣泛開展了針對海底天然氣水合物取樣技術研究,研制并完善了重力、靜壓、沖擊和回轉等工藝的鉆探取樣方法。此外,郭威等還研究應用冰凍取樣工藝方法獲取天然氣水合物實物樣品。大慶油田研制了M Y-215保壓取心工具,四川海洋特種技術研究所與青島海洋所聯合研制了天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取心鉆具,這些工具主要靠重力貫入海底沉積物來鉆獲樣品。浙江大學依托國家項目研究應用重力活塞取樣器獲取海底30m以淺天然氣水合物樣品。中國石化與上海交通大學、中國石油大學(華東)和四川海洋特種技術研究所等多家單位聯合開展了天然氣水合物鉆探取心關鍵技術研究,取得了一定的成果,推動了國內深水深孔沉積物取樣技術的發展。

近年來,我國已成功在中國南海和青海木里通過鉆探手段獲取到天然氣水合物實物樣品。然而,國內研究陸域天然氣水合物鉆探取樣技術的機構或組織則相對較少。張永勤等提出應用繩索取心技術+保溫保壓取樣相結合的辦法來鉆獲陸域天然氣水合物。雖通過木里地區鉆探實踐,驗證了該工藝方法的技術可行性,推動了陸域天然氣水合物取樣技術的發展應用。但須承認,日、美、德等國的研究水平仍有一定優勢,相應配套的工藝方法和鉆探體系仍待繼續研究、完善。

3 天然氣水合物熱物理力學性質

天然氣水合物特殊的熱物理力學性質決定其鉆探技術的特殊性,這也從根本上限制著天然氣水合物鉆探技術的研究與發展。因此,準確掌握天然氣水合物的熱物理特性是把握鉆探技術的根本。本文擬根據天然氣水合物的熱物理力學特性,展開天然氣水合物鉆探技術研究,并針對青藏高原高寒永凍地區,給出天然氣水合物鉆探技術的合理化建議。

Clarke等認為,單一氣體水合物顆粒的分解經由兩個相繼的過程,即先發生包絡化合物水分子晶格破裂而隨后發生晶格內氣體分子脫附,且分解過程自水合物顆粒表面開始。事實上,混合氣體水合物的結構與單一氣體水合物并沒有本質的區別,也即CH4和其它氣體組成的混合氣體水合物顆粒的分解與甲烷氣體水合物的分解遵循同樣的步驟,即先晶格破裂后氣體分子脫附。因此,甲烷等氣體的混合氣體水合物的分解速率可以表述為:

基于上述認識,筆者做了如下假定:(1)氣體水合物晶格、晶形一致;(2)同一溫度下,同種分子分解前后范德華力變化一致;(3)水合物晶體依照由表及里、由外至內逐漸分解;(4)分解后的氣體部分以飽和態溶于分解后的液態水中,分解的水始終處于液態;(5)水合物的分解是瞬態完成的。在假定基礎上,通過計算機模擬軟件分別對甲烷水合物和二氧化碳水合物進行了0℃以上的模擬分解實驗。而事實上水合物分解是吸熱的過程,將會降低水合物分解的“環境”溫度,本次模擬中并沒有考慮吸熱對分解的影響,而是假定了水合物在設定溫度下分解,且將分解的壓力P視為溫度 T的函數。圖1為甲烷水合物和二氧化碳水合物分解模擬得到的P-T平衡相圖。

圖1 甲烷水合物和二氧化碳水合物分解P-T平衡相圖

圖1中,曲線表征水合物分解的臨界狀態,即在曲線下方區域所代表的條件下水合物便分解為水和氣體,而在其上方時,則不分解。由圖1可以看出:(1)保持水合物樣品不分解所需的壓力隨溫度升高而升高,而壓力隨溫度升高更趨明顯;(2)與二氧化碳水合物相比,保持甲烷水合物不分解的條件更苛刻;(3)在較低溫度范圍內(0～10℃),保持甲烷水合物不分解所需的壓力與溫度呈現近線性趨勢。同時,模擬數據顯示,保持甲烷水合物不分解的平衡壓力在+0℃時不超過3M Pa,6℃時約為5M Pa。這也與實際情況比較吻合。需要說明的是,上述認識是假定天然氣水合物在純水條件下分解得到的,分解過程不受其它介質(如泥漿、地下水)的影響,這與實際情況并不完全相符。

由于海水鹽度或礦化度(溶液中極性粒子的增加)一定程度上能提高氣體的溶解度,利于甲烷水合物的分解,國內外學者們對天然氣水合物在其它介質中分解的研究也產生了廣泛的關注,但目前仍未有得到定量的結論。雷懷彥等在研究海水中甲烷水合物的分解時認為,甲烷水合物的不穩定性決定了其在海水中的溶解和分解,這兩種方式也是維持海底甲烷氣動態存儲與排泄平衡的主要途徑。甲烷水合物在穩定存在的溫壓條件下,當海水中甲烷溶解不飽和時,就發生溶解,當海水中溶解的甲烷達到過飽和時,就會沉淀聚集、凝結形成甲烷水合物;而當其所處的溫壓條件由穩態轉變為非穩態時,就分解生成甲烷氣體和水。

然而,上述分析過程中甲烷水合物被置于完全開放系統中,且沒有指出溶解與分解的主次關系。但可以肯定的是,無論水存在與否,水合物都會發生分解,且分解過程要比溶解過程更快。可以設想,當處于非穩態條件之下,甲烷水合物的溶解和分解開始時都將存在,若被置于相對封閉系統中,由于氣體極低的溶解度,系統溶解將很快因達到飽和而中止,但分解還將繼續。

因此,無論甲烷水合物分解時處于何種條件,其分解均可認為是一個氣相、液相和水合物相同時存在的復雜動力學過程。筆者基于甲烷天然氣水合物熱物理特性模擬試驗所得出的結論仍是適用的。只有依據并利用好天然氣水合物的熱物理力學特性,才能從根本上促進天然氣水合物鉆探技術的發展,發揮出這項技術的最大功用。

4 天然氣水合物鉆探技術關鍵探討

簡言之,天然氣水合物的熱物理特性表現為在低溫高壓下存在,而在常溫常壓分解出大量氣體和液態水。鑒于當前尚未在區域上大范圍地鉆獲天然氣水合物樣品,也即存在還要從工作手段上提高資源可靠性的客觀現實,天然氣水合物鉆探技術所要解決的問題主要包括:取心取樣技術、循環介質、低溫鉆進技術參數和工藝方法等。

理論上,天然氣水合物晶體能夠以較大尺寸在自然環境中存在,但現有鉆探成果表明,天然氣水合物晶體主要以客體形式充填于沉積層的孔隙之中,天然氣水合物粒度相對較小。天然氣水合物鉆探取心取樣技術的難點在于巖(樣)心鉆取后會發生分解,若不采取一定措施,鉆探取樣后難于保存和直接觀測。當前國內研究天然氣水合物鉆探取心取樣技術時,保溫保壓取心取樣鉆具的研制思路多以保壓為主、保溫為輔,取樣器通常保壓參數設計在20M Pa以上,甚至達到40M Pa。這個壓力幾乎高于常溫下天然氣水合物保持不分解的壓力,也就增加了功能實現的難度。而模擬結果表明,降低天然氣水合物鉆探的工作溫度,可以大幅降低取心取樣鉆具的保壓設計值。因此,依據天然氣水合物的熱物理特性,設計出更為合理的取心取樣鉆具,這將是天然氣水合物取心取樣技術的重點。

如上所述,天然氣水合物的熱物理力學性質表明降低溫度有利于保持其不分解,而天然氣水合物分解本身吸熱制冷的過程,這種制冷效應就使得天然氣水合物具備自我保持穩定、不分解的特性。在青藏高原高寒地區,天然氣水合物賦存于永凍層下,鉆遇地層平均溫度也低于冰點,并且由于分解吸熱作用,勢必溫度將降得更低。這就要求循環介質要具有耐低溫、抗蝕變性能之外,并具有能夠抑制水合物分解和環境友好的特性。常規耐低溫泥漿的耐溫性在冰點之上,當溫度低于冰點,泥漿的黏度、剪切力等參數將大幅惡化,其潤滑、排渣能力相應也急劇降低。況且,青藏高原地區環境消融能力較差,一旦發生泥漿污染地層或地下水,環境恢復將極其緩慢,甚至可能導致災難性事故。另外,由于泥漿中人為添加的處理劑或地層中礦物質的溶解,可能增加了泥漿中離子濃度從而促使天然氣水合物的分解。因此,研制特殊的耐低溫環保型泥漿是天然氣水合物鉆探的技術核心。

低溫鉆進一般認為是循環介質在低于常溫下的鉆探實踐,對于水基泥漿往往在0℃以上,僅在凍土區和海底天然氣水合物鉆探中被提及,但業內尚未給出明確的界定。毋庸置疑的是,天然氣水合物鉆探技術應被視為低溫鉆進技術,但其特殊之處在于溫度可以低至0℃以下。在低溫條件下,設備的冷脆性放大,機械力學性能也變差,尤其在青藏高原高寒空氣稀薄地區,鉆進技術參數和工藝方法必然要求做出相應的調整。天然氣水合物被永凍層圈閉以沉積相賦存于地層孔隙之中,由于沉積地層可鉆性通常小于V級,考慮完整取心取樣要求,硬質合金回轉鉆進技術是較適宜的。若配合繩索鉆探技術效果會更好。傳統回轉鉆進主要技術參數包括:轉速(n)、鉆壓(p)和沖洗液量(Q)。天然氣水合物鉆探與其它礦產資源鉆探一樣,最根本目的在于安全、快速地成孔至目的地層,但因永凍地層中水以固態冰的形式存在,對鉆探將產生“粘滯”作用,不適宜采用較高的轉速n,鉆壓p也宜選用小值。而當取心取樣鉆探時,孔內產生的巖粉量較少,又要避免沖洗液對巖樣心的沖蝕,應采用小泵量、低流速,并可結合多層管取心鉆具;而當全面鉆進時,則宜采用大泵量、高流速,甚至可考慮反循環鉆進技術。

5 結論與建議

天然氣水合物鉆探技術所要解決的問題主要包括:取心取樣技術、循環介質、低溫鉆進技術參數和工藝方法等。通過筆者對天然氣水合物熱物理力學性質的模擬研究表明,在較低溫度范圍內(0～10℃),保持甲烷水合物不分解所需的壓力與溫度呈現近線性趨勢,同時認為降低溫度更有利于抑制甲烷水合物分解。基于這種熱物理力學性質,結合青藏高原永凍區天然氣水合鉆探實際,得到如下認識:

(1)天然氣水合物取心取樣技術研究中,保溫保壓取心取樣鉆具的研制思路應以保溫或降溫為主、保壓為輔;

(2)天然氣水合物鉆探循環介質應具備耐低溫、抗蝕變、環境友好等特性之外,應能夠對天然氣水合物分解起到抑制作用;

(3)在青藏高原永凍地層中天然氣水合物開展取心取樣鉆探時,應采用低轉速、低鉆壓和低泵量,并宜結合多層管取心鉆具。

1 徐水師、王佟、劉天績等.青海省木里煤田天然氣水合物資源量估算.中國煤炭地質,2009(9)

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